基于Zigbee的LED智能照明系統設計

殷駿 王巍

(1.天津工業大學，信息與通信工程學院，天津 300160;2.天津工業大學，電氣工程與自動化學院，天津 300160)

1 引言

隨著電子信息產業的高速發展，在促進節能環保，發展“低碳經濟”領域的作用也日趨明顯。Zigbee作為一種新興的短距離無線通信技術，以其低成本、低功耗、高可靠性等特點，在環境監測、智能家居、工業控制等領域得到廣泛應用。而LED作為對傳統照明的替代，其利環保、高壽命、易控制的優勢不言而喻。基于Zigbee的LED智能照明控制系統是將Zigbee在短距離無線傳輸的優勢，與LED照明相結合。具有安全，智能，便于控制的同時，也具有走線、維護的工程便利性，更加體現了節能環保。

2 系統總體設計方案

2.1 Zigbee技術

Zigbee技術的基礎是 IEEE 802.15.4，根據Zigbee技術協議的內容，可以將其分為5層，IEEE 802.15.4定義了Zigbee的PHY層和MAC層，Zigbee聯盟自己制定了NWK層和安全層，應用層的開發應用根據用戶的應用需要，對其進行開發利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。

根據IEEE 802.15.4協議標準，Zigbee的工作頻段分為 3個頻段，分別為 868MHz、915MHz或2.4GHz，其中2.4GHz頻段上分為16個信道，該頻段為全球通用的工業、科學、醫學頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數據傳輸速率為250Kb/s;2.4GHz無線電使用 DSSS和偏移正交相移鍵控 (O－QPSK)。

2.2 系統總體圖

本系統由兩部分組成，分別為發送模塊 (協調器)和接收模塊 (路由器)部分。發送模塊主要由主控芯片STR911 ARM、射頻發射系統以及一個顯示屏組成，接收部分在前者基礎上增加了傳感器和LED照明終端。圖1為照明系統總體框圖。

圖1 照明系統總體圖

3 系統硬件設計

3.1 控制部分

本系統中主控芯片為 STR911ARM，采用ARM966E-S內核，256K Flash，96K SRAM，80pin封裝，在一個12X12mm的芯片中。帶有豐富的內外部資源，包括:USB、CAN、UART、IrDA、I2C、SSP、I/O、RTC等。在發送模塊中，ARM的負責處理鍵盤命令，并且通過LCD將其顯示出來，同時與射頻部分實現UART/SPI通信，將獲得的數據信息通過Zigbee無線網絡發送出去;在接受端，ARM首先處理從無線接受模塊得到的數據，待用戶選擇相應控制方式，給照明終端發送不同的pwm信號。

3.2 射頻模塊

射頻模塊主要包括CC2480芯片和一個射頻天線，CC2480是TI公司推出的新Z-Accel系列網絡處理器。CC2480具有10個函數調用的SimpleAPI，大大簡化了開發過程。在Zigbee網絡中，Zigbee節點按照功能不同分為協調器 (Coordinator)、路由器(Router)和終端節點 (EndDevice)，它們負責網絡組建，數據的無線傳輸。

3.3 傳感器模塊

傳感器模塊:本系統中應用了兩個傳感器。

光電傳感器的核心器件是光敏電阻。當外界光亮越大，電阻越小;反之，阻值增大。溫度傳感器，采用的是 TI公司的 TMP275，其在 +10℃至 +85℃范圍內的精確度為+/－0.5℃ (最大值)，0℃至 +100℃范圍內的精確度為 +/－0.75(最大值)。其雙線串行接口可與I2C或SMBus相兼容。二者分別負責采集外環境的溫度和亮度數據。當主處理器接收到這些數據后，產生相應占空比不同的脈沖寬度調制信號。

3.4 驅動模塊

驅動電路采用LM3407作為主芯片。它將脈沖寬度調制信號轉換為電流信號驅動LED燈具。LM3407集成了N溝道功率MOS場效應管的脈沖寬度調制的浮動式降壓轉換器，其設計是為提供精準的恒定電流輸出，以驅動高功率發光二極管(LED)。下面給出 LM3407的典型應用電路 (如圖2)。

圖2 驅動電路

4 系統軟件設計

軟件設計基于 Z-Stack協議棧和Keil集成開發環境。該系統的功能模塊有兩個:1.協調器，2.路由器。這在主函數要分別進行設計。系統具體工作流程如圖3所示。

此處給出系統組建網絡程序。

……

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圖3 系統工作流程圖

系統網絡組建完成后，協調器LCD顯示功能選擇菜單，由用戶根據演示和應用需要，選擇不同功能 (如圖4所示)，路由器通過 zigbee網絡收到命令信號，給終端發送不同脈沖信號，執行相應功能。在此處由于篇幅原因，僅給出路由器執行不同命令模式的源程序。

5 結論

系統完成軟硬件設計，順利實現以下預期功能:

(1)普通調光:在協調器模式選擇菜單中選擇01 common 4.light(普通調光)，分別輸入0x00～0x05，順利實現5級pwm調光。

(2)自適應感溫調光:在協調器模式選擇菜單中選擇02 temprature功能，路由器LCD自動顯示外界溫度值，當溫度傳感器溫度增加時，對應LED燈亮度級別增加。

圖4 系統功能選擇

(3)定時調光:在協調器模式選擇菜單中選擇03 time功能，再分別輸入時間指數，亮度級別。前者控制燈亮時間，后者控制燈的亮度。

(4)自適應感光調光:在協調器模式選擇菜單中選擇04 light功能，自動顯示外界光亮，從而改變自身光亮。外界亮度越亮，燈越暗;亮度越低，燈越亮。

基于以上功能的實現，可以應用在環境監測，智能家居，路燈自適應控制等多個領域。以照明為例，可以更加有效的利用光源，實現“二次節能”，響應國家半導體照明工程的實施。

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